本发明涉及一种基于平波电抗器磁场变化的匝间短路故障位置检测方法。
背景技术：
干式空心电抗器(dry-typeair-corereactors,dar)在国内外应用广泛，然而一旦发生匝间短路故障，短路环中产生的大电流会对线圈造成损坏，甚至烧毁电抗器进而引起火灾。作为dar最常见的故障之一，有必要寻找有效的方法检测其匝间绝缘，及时发现设备的不正常运行状态，预防匝间短路故障的发生。
针对电抗器匝间短路问题，许多专家学者研究并提出了多种检测方法。但这些方法都有一定的缺点：
电气量检测法：可直接检测电压、电流等参量的变化，准确有效，但不能达到预警的目的；
烟感检测法：检测过热燃烧产生的烟气，原理简单易实现，但受环境影响较大，精确度较差；
温度检测法：检测故障区域发热情况，较为直观，但检测及时性稍差，且传感器选择及布置困难；
应力感应检测法：检测匝间应力突变，但易受外界影响，且对传感器灵敏度有较高要求；
探测线圈检测法：检测短路环涡流在探测线圈中感应出的电压波形，具备实时监控能力，但对发生于电抗器横轴中的故障反应不够灵敏。综上，现有的检测方法各具优势但测量自由度较弱，即检测位置较为固定，不便于安装拆卸及扩展，因此在保证检测精度的基础上，寻求一种更加自由便捷的检测方法十分必要。
技术实现要素：
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于平波电抗器磁场变化的匝间短路故障位置检测方法，本发明通过建立简化模型，测量点放置磁场测量仪器，实时检测其磁场强度并与其正常运行时的磁场强度进行对比得出磁场变化量，将发生故障前后的磁场强度变化量代入故障位置检测函数即可得到发生匝间短路故障的相对高度，具有计算过程简单，计算结果准确性高的优点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于平波电抗器磁场变化的匝间短路故障位置检测方法，包括以下步骤：
在保证每层线圈基本参数不变的基础上，将每层电抗器线圈简化等效为一个中空的圆柱体，构建简化的平波电抗器模型；
构建故障相对高度与磁场变化百分比之间的故障位置检测函数，采用固定变量法，即将电抗器的磁场多元函数拟合简化为一元函数拟合，形成故障位置检测函数的简化表达；
实时检测其磁场强度并与其正常运行时的磁场强度进行对比得出磁场变化量，将发生故障前后的磁场强度变化量代入简化表达后的故障位置检测函数，得到发生匝间短路故障的相对高度。
进一步的，平波电抗器是由多层线圈并联而成，线圈与线圈之间紧密排列，相同程度的匝间短路故障发生于电抗器的不同线圈层所引起的空间磁场变化小于设定范围。
进一步的，平波电抗器的简化模型为：将每层电抗器线圈简化等效为一个中空的圆柱体，平波电抗器是由多个圆柱体并列排布而成，每相邻的若干圆柱体作为一组，每组之间设置有散热通道，每组圆柱体设置于包封内。
进一步的，根据匝间短路故障的中心位于电抗器的位置进行分区。
优选的，按照匝间短路故障的中心位于电抗器总高度的位置，均分为三个区域。
进一步的，对匝间短路故障位置函数的拟合只针对故障相对高度与磁场变化百分比之间关系进行研究。
进一步的，当电抗器发生匝间短路故障时，电抗器空间磁场的分布受多个因素的影响，在不考虑电抗器周围环境磁场与电抗器结构影响的理想情况下，电抗器匝间短路故障磁场变化与故障位置之间的关系属于多元非线性关系。
进一步的，根据电抗器结构特点，电抗器匝间短路故障位置仅通过相对半径与相对高度表示；将atc与ltc方向的磁场变化百分比分利用匝间短路故障程度、atc与ltc方向磁场的测量点以及相对半径与相对高度表示，形成电抗器故障位置函数的求解模型。
一种基于平波电抗器磁场变化的匝间短路故障位置检测系统，运行于处理器或存储器上，被配置为执行以下指令：
在保证每层线圈基本参数不变的基础上，将每层电抗器线圈简化等效为一个中空的圆柱体，构建简化的平波电抗器模型；
构建故障相对高度与磁场变化百分比之间的故障位置检测函数，采用固定变量法，即将电抗器的磁场多元函数拟合简化为一元函数拟合，形成故障位置检测函数的简化表达；
实时检测其磁场强度并与其正常运行时的磁场强度进行对比得出磁场变化量，将发生故障前后的磁场强度变化量代入简化表达后的故障位置检测函数，得到发生匝间短路故障的相对高度。
一种基于平波电抗器磁场变化的匝间短路故障位置检测系统，还包括分区模块，按照匝间短路故障的中心位于电抗器总高度的位置，均分为三个区域。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明通过构建故障位置函数，能够实时检测其磁场强度并与其正常运行时的磁场强度进行对比得出磁场变化量，将发生故障前后的磁场强度变化量代入简化表达后的故障位置检测函数，得到发生匝间短路故障的相对高度，计算结果具有实时性；
2、本发明通过验证，可以证明构建的故障位置函数的准确性高，具有应用前景。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1(a)为二维模型线圈的实际分布示意图；
图1(b)为二维模型线圈的简化处理后示意图；
图2为电抗器故障位置分区示意图；
图3为磁场观测点分布示意图；
图4为电抗器磁场分布测量方向；
图5(a)为故障位置观测点c的检测函数拟合曲线；
图5(b)为故障位置观测点e的检测函数拟合曲线；
其中，径向中心轴(axialtraverseincenter,atc)、径向侧面轴(axialtraverseinside,ats)、横向中心轴(lateraltraverseincenter,ltc)、横向顶端轴(lateraltraverseintop,ltt)、横向中间轴(lateraltraversehalfwaybetweenlttandltc,lth)。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
本发明通过在平波电抗器特定的测量点放置磁场测量仪器，实时检测其磁场强度并与其正常运行时的磁场强度进行对比得出磁场变化量，将发生故障前后的磁场强度变化量代入故障位置检测函数即可得到发生匝间短路故障的相对高度。
首先，为简化建模缩短建模时间，在保证每层线圈基本参数(即直径与线圈高度)的基础上，每层电抗器线圈可以简化等效为一个中空的圆柱体，本文所建立的实际线圈分布如图1(a)所示。其简化等效后的电抗器横截面排列形式如图1(b)所示。
将匝间短路故障的中心位于电抗器总高度2/3以上时定义为“上部故障”，故障中心低于总高度2/3且高于1/3时定义为“中部故障”，故障中心低于1/3时定义为“下部故障”，故障位置分布示意图如图2所示。
电抗器是由多层线圈并联而成，线圈与线圈之间紧密排列，相同程度的匝间短路故障发生于电抗器的不同线圈层所引起的空间磁场变化并不明显。对匝间短路故障位置(用r*和h*表示)函数的拟合只针对故障相对高度h*与磁场变化百分比δb之间关系进行研究，即拟合自变量与因变量分别为h*和δb，磁场观测点为图3的c和e点，电抗器故障线圈固定为m＝11的线圈层，故障程度s设定为16.875％。c点为距离电抗器中心轴向中心轴(axialtraverseincenter,atc)方向1m点处，e点为沿径向中心轴(lateraltraverseincenter,ltc)方向3m点处。atc和ltc方向如图4所示。
当电抗器发生匝间短路故障时，电抗器空间磁场的分布受多个因素的影响。在不考虑电抗器周围环境磁场与电抗器结构影响的理想情况下，电抗器匝间短路故障磁场变化与故障位置之间的关系显然属于多元非线性的。
根据电抗器结构特点，电抗器匝间短路故障位置仅通过相对半径r*与相对高度h*即可表示；atc与ltc方向的磁场变化百分比分别用δba和δbl表示；匝间短路故障程度、atc与ltc方向磁场的测量点仍分别采用s、da和dl表示。因此，电抗器故障位置函数的求解模型可表示为：
其中，f(h*，r*，s，da)与g(h*，r*，s，dl)属于非线性函数。
在式(1)中δba，δbl，h*和r*的计算公式为：
其中，bas和ba0分别为电抗器正常运行与匝间短路故障atc方向da距离处的磁场强度，bls和bl0对应ltc方向dl距离处的磁场强度，r和h分别为匝间短路故障位置的半径与高度，r和h分别为电抗器半径与高度。
在实际函数拟合应用中，由于多元非线性拟合比较复杂且精确度相对较低。因此，对于电抗器的磁场函数的拟合，采用固定变量法，即将多元函数拟合简化为一元函数拟合。
因此，δb与h*之间的故障位置检测函数的简化形式为：
故障相对高度与磁场变化百分比之间的故障函数表达式为：
在c点和e点放置磁场检测器，实时检测该两点磁场变化，并将其带入故障位置检测函数(4)中即可得到故障位置。
当r*＝92.7％,s＝16.875％时，随着故障位置h*的变化c、e两个观测点处的磁场变化百分比如表1所示。
表1观测点磁场变化百分比
分别对c、e两观测点处的磁场变化δb与故障位置h*进行曲线拟合，拟合图形分别如图5(a)和图5(b)所示。由图5可见，电抗器故障相对高度与磁场变化量之间的关系采用多项式函数进行拟合效果极佳。
对于观测点数据的函数拟合，拟合判定系数r-square越接近1、均方根rmse越小，函数拟合效果越好。比较分析表2中各个曲线函数对dar故障相对高度的拟合效果，可见：四次曲线对观测点c、e的故障相对高度拟合判定系数均最接近1、均方根均最小。
表2故障位置模型拟合效果分析表
为进一步验证拟合出的故障位置检测函数的准确性，利用仿真模型模拟发生匝间短路时的状态，模型选取表3中的电抗器参数。由于检测函数是针对匝间短路故障线圈层m＝11和故障程度s＝16.875％的电抗器中发生故障的磁场变化量进行拟合，验证数据则选用故障线圈层m＝11、故障程度s＝16.875％，设定短路位置高度h为400mm，根据公式(2)得h*＝21.98％。
表3观测点磁场变化
经仿真计算电抗器在c、e观测点处的磁场变化分别为166.2949％和2109.223％，将数据带入式(2)中求解h*。当δ
在表3中，绝对误差与相对误差的计算公式为：
表3故障相对高度求解结果
由表3中的计算结果可知：故障位置函数计算结果与实际设定故障相对高度绝对误差不到0.5，相对误差也在允许误差范围(0～10％)内。计算结果验证并说明了电抗器故障相对高度检测函数的准确性，为实际平波电抗器匝间短路故障检测提供了又一检测依据。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。